CC BY
20
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62-83 А. В. БУБНОВ
С. В. БИРЮКОВ А. Н. ЧЕТВЕРИК
Омский государственный технический университет, г. Омск
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ С КОСВЕННЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ОШИБКИ ПО УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
Синхронно-синфазный электропривод, построенный на основе электропривода с фазовой синхронизацией, широко используются в тепловизионных и лазерных сканирующих системах благодаря высоким точностным и динамическим характеристикам в широком диапазоне регулирования угловой скорости. Целью статьи является анализ возможностей улучшения динамики электропривода с фазовой синхронизацией и синхронно-синфазного электропривода на основе использования методов косвенного определением ошибки по угловой скорости, реализованных на основе многофункционального логического устройства сравнения. Предложены классификации методов косвенного определения ошибки по угловой скорости (вариантов построения блока определения частотного рассогласования сравниваемых импульсных последовательностей) и способов организации управления электроприводом с использованием блока определения частотного рассогласования сравниваемых импульсных последовательностей.
Ключевые слова: электропривод с фазовой синхронизацией, синхронно-синфазный электропривод, логическое устройство сравнения, дискриминатор. Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований. Проект № 16-08-00325а «Разработка и исследование способов управления синхронно-синфазным электроприводом, реализованных на основе комплексного подхода к обеспечению высоких показателей качества регулирования в широком диапазоне угловых скоростей в режимах стабилизации и слежения».
Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ), зрения современных робототехнических комплек-
построенные на основе электропривода с фазовой сов, видеозаписывающей аппаратуры, в копиро-
синхронизацией (ЭПФС), применяются в узлах оп- вальных установках, что обусловлено их высокими
тико-механической развертки обзорно-поисковых точностными и динамическими показателями в ши-
и сканирующих систем, в том числе в системах роком диапазоне регулирования угловой скорости
лазерного сканирования, в системах технического [1 — 10].
Рис. 1. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода
Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода (рис. 1) выполнена в виде двух-контурной системы автоматического управления (САУ) [11], включающей в себя внутренний контур — ЭПФС, реализованный на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) вращения, и внешний контур управления доворотом вала электродвигателя в заданное угловое положение (фазирования), управление которыми осуществляется от блока задания частоты БЗЧ, формирующего импульсы опорной частоты / (задания частоты вращения электропривода) и импульсы угловой привязки (задания начального углового положения вала электродвигателя) Роп.
Электропривод с фазовой синхронизацией состоит из логического устройства сравнения ЛУС частот и фаз двух импульсных последовательностей: задания / , формируемой в блоке задания частоты БЗЧ, и обратной связи /с; формируемой на выходе импульсного датчика частоты вращения ИДЧ, корректирующего устройства КУ, силового преобразователя СП и электродвигателя ЭД.
Внешний контур фазирования включает в себя датчик положения вала электродвигателя ДП и фазирующий регулятор ФР, содержащий блок определения фазового рассогласования БОФР импульсов частот Р и Р , и блок управления БУ угловым поло-
оп ос 1
жением вала электродвигателя. Датчик положения формирует импульсы индикации текущего положения вала электродвигателя Рос. Импульсы угловой привязки ССЭ Роп формируются в БЗЧ. Блок определения фазового рассогласования осуществляет определение фазового рассогласования импульсов частот Р и Р , пропорционального угловой ошибке Да электропривода. Фазирующий регулятор преобразует по определенному закону импульсы задающей частоты /оп в импульсы входной задающей частоты ЭПФС /'оп. Датчик положения и импульсный датчик частоты вращения ИДЧ образуют блок импульсных датчиков БИД, расположенных на валу электродвигателя.
В качестве ЛУС в системах фазовой автоподстройки частоты вращения ФАПЧ используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) [11].
Алгоритм работы ИЧФД основан
на логической обработке порядка следования импульсов частот / и / , и по результатам анализа
оп ос
дискриминатор устанавливается в один из трех следующих режимов работы:
— режим насыщения при разгоне (Р) электропривода (/оп>.С т=1);
— режим фазового сравнения (П — пропорциональный) дискриминатора (/ ~ / , у = Дф), где Дф — фазовое рассогласование импульсов частот / и /),
— режим насыщения при торможении (Т) электропривода (/0п< ¡с У = 0).
Переход из одного режима в другой осуществляется в моменты прихода двух импульсов одной из сравниваемых частот между двумя импульсами другой частоты.
Целью статьи является анализ возможностей улучшения динамики электропривода с фазовой синхронизацией и синхронно-синфазного электропривода на основе использования методов косвенного определения ошибки по угловой скорости, реализованных на основе многофункционального логического устройства сравнения (МЛУС).
Для реализации современных систем управления ЭПФС и ССЭ применяются методы косвенного определением ошибки по угловой скорости, реализованные на основе многофункционального логического устройства сравнения. Основу МЛУС составляет импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) с расширенными функциональными возможностями [12]:
— индикация режимов работы ИЧФД (Р — режим насыщения при разгоне электропривода, П — режим фазового сравнения или пропорциональный режим, Т — режим насыщения при торможении электропривода);
— индикация моментов времени изменения режима работы ИЧФД (0/2 — ситуации отсутствия импульсов обратной связи между двумя соседними импульсами опорной частоты, 2/2 — ситуации прохождения двух импульсов обратной связи между двумя соседними импульсами опорной частоты).
Такие схемы ИЧФД могут использоваться для реализации методов косвенного определения ошибки по угловой скорости, классификация методов приведена на рис. 2.
Известные методы косвенного определения ошибки по угловой скорости реализуются в трех основных вариантах построения блока определения частотного рассогласования (БОЧР).
В первом варианте построения БОЧР осуществляется подсчет повторяющихся совпадений импульсов частот /оп и /ос. При использовании двухразрядного счетчика импульсов определяется область текущих значений ошибки по угловой скорости. Для расширения диапазона рабочих угловых скоростей электропривода может быть использовано регулирование длительности импульсов частоты / [11]. При использовании п-разрядного счетчика
Рис. 2. Классификация методов косвенного определения ошибки по угловой скорости
Рис. 3. Классификация способов управления ЭПФС и ССЭ, реализованных на основе МЛУС
Рис. 4. Функциональная схема ЭПФС с опережающей разблокировкой ИЧФД (первый вариант БОЧР)
импульсов подсчитывается количество повторяющихся совпадений импульсов и по полученному значению вычисляется текущее значение ошибки по угловой скорости.
Во втором варианте построения БОЧР осуществляется подсчет импульсов тактовой частоты между двумя ситуациями 0/2 или 2/2. В качестве источника тактовой частоты может быть использован неза-
висимый генератор импульсов или БЗЧ, формирующий импульсы частоты / [11].
В третьем варианте построения БОЧР формируется дополнительная опорная последовательность импульсов с частотой /, близкой к текущему значению частоты следования импульсов в канале обратной связи foc [13]. На основе данной частоты определяется значение ошибки по угловой скорости,
Рис. 5. Функциональная схема ЭПФС с опережающей разблокировкой ИЧФД (второй вариант БОЧР)
Рис. 6. Функциональная схема ЭПФС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием
Рис. 7. Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию предварительным фазированием (второй вариант БОЧР)
которое в дальнейшем пересчитывается на реальное значение ошибки по угловой скорости путем добавления разности между реальной частотой /оп и дополнительной частотой /п. Данный метод определения ошибки по угловой скорости позволяет получать более точные значения при больших отклонениях текущей угловой скорости от заданной.
Рассмотренные варианты построения БОЧР используются при построении ЭПФС и ССЭ с улучшенными динамическими характеристиками. Классификация способов управления ЭПФС
и ССЭ, реализованных на основе МЛУС, приведена на рис. 3.
Улучшение динамики ЭПФС может осуществляться на основе:
— опережающей разблокировки ИЧФД;
— квазиоптимальной по быстродействию синхронизации электропривода.
Для организации опережающей разблокировки ИЧФД в ЭПФС используются первый вариант построения БОЧР [11] и второй вариант построения БОЧР [14]. Функциональная схема ЭПФС с опере-
Рис. 8. Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию предварительным фазированием (третий вариант БОЧР)
жающей разблокировкой ИЧФД (первый вариант БОЧР) приведена на рис. 4, где БЗЧ — блок задания частоты, БУ — блок управления, ФИ — формирователь импульсов, БОЧР — блок определения частотного рассогласования, ОВ — одновибратор.
Функциональная схема ЭПФС с опережающей разблокировкой ИЧФД (второй вариант БОЧР) приведена на рис. 5, где пунктирной линией показан один из возможных вариантов задания тактовой частоты. Для организации квазиоптимальной по быстродействию синхронизации ЭПФС используются второй вариант построения БОЧР [11]. Функциональная схема ЭПФС с квазиоптимальной по быстродействию синхронизацией приведена на рис. 6, где УК — управляемый ключ.
Для организации квазиоптимального по быстродействию режима предварительного фазирования ССЭ используются второй вариант построения БОЧР и третий вариант построения БОЧР [13]. Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию предварительным фазированием (второй вариант БОЧР) приведена на рис. 7, где БР — блок регулирования.
Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию предварительным фазированием (третий вариант БОЧР) приведена на рис. 8, где УДЧ — управляемый делитель частоты. Данная схема обеспечивает более широкий диапазон регулирования ССЭ по угловой скорости.
Рассмотренные варианты построения МЛУС (БОЧР) могут быть эффективно использованы при построении ЭПФС и ССЭ с улучшенными динамическими показателями, которые обеспечиваются организацией управления электроприводом с использованием опережающей разблокировки ИЧФД и квазиоптимальных по быстродействию режимов синхронизации и фазирования.
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании современных ССЭ для сканирующих и обзорно-поисковых систем.
Библиографический список
1. Трахтенберг Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М.: Энергоиздат, 1982. 168 с.
2. Hsieh G. C. and Hung J. C. Phase-locked loop techniques. A survey // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1996. Vol. 43, no. 6, P. 609-615 c. DOI: 10.1109/41.544547.
3. Best R. E. Phase-Locked Loops: Design, Simulation, and Applications. Sixth Edition. Taipei, Taiwan, R.O.C.: McGraw-Hill, 2003. P. 109-114. ISBN 9780071493758.
4. Wu Y., Zhao H. and Zhao N. PLL Control System Based on FPGA for Brushless DC Motor // Proc. of the 33rd Chinese Control Conf. Nanjing, China, 2014. P. 7897-7902. DOI: 10.1109/ CHiC.2014.6896319.
5. Pan C.-T. and Fang E. A Phase-Locked-Loop-Assisted Internal Model Adjustable-Speed Controller for BLDC Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55, no. 9. P. 3415-3425. DOI: 10.1109/TIE.2008.922600.
6. Zhang J., Zhao H., Ma K. Phase-Locked Loop in Constant Speed Control for the Flywheel Motor // Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. 2012. Vol. 6. P. 323-330. DOI: 10.1007/978-3-642-25778-0_45.
7. Lanza P. T., Shtessel Y. B., Stensby J. L. Improved Acquisition in a Phase-Locked Loop Using Sliding Mode Control Techniques // J. of the Franklin Inst. 2015. Vol. 352 (10). P. 4188-4204. DOI: 10.1016/j.jfranklin.2015.06.001.
8. Nondahl T., Liu J., Schmidt P., Royak S., Dai J. and Al-Nabi E.. Transition Scheme for Position Sensorless Control of AC Motor Drives. US Patent 2016/0056740; filed Decembe 10nd, 2014; published February 25nd, 2016.
9. Xue F. [et al.]. Passivity-Based Control for Phase-Locked Loop Induction Motor Drive // IEEE Int. Symp. on Ind. Electron. Proc. Pusan, Korea, 2001. P.1130-1134. DOI: 101109/ ISIE.2001.931636.
10. Yu W., Luo Y.,. Chen Y.-Q, Pi Y.-G. Frequency Domain Modelling and Control of Fractional-Order System for Permanent Magnet Synchronous Motor Velocity Servosystem // IET Control Theory & Applicat. 2016. Vol. 10, issue 2. P. 136-143. DOI: 10.1049/iet-cta.2014.1296.
11. Бубнов А. В., Чудинов А. Н. Улучшение динамики электропривода сканирующих систем на основе косвенных методов измерения ошибки по угловой скорости: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. 100 с.
12. Bubnov A. V., Gokova M. V., Chetverik A. N. Features of constructing a logical device for comparing systems with a frequency phase-locked loop // Measurement Techniques. USA. N. Y. Springer US. 2016. Vol. 59, no 9. P. 985-989.
13. Пат. 2608177 РФ, МПК H02P 6/06, 7/06, 21/06. Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя и устройство для его осуществления / Бубнов А. В., Емашов В. А.,
Чудинов А. Н. № 2015122321; заявл. 10.06.2015; опубл. 17.01.2017, Бюл. № 2. 12 с.
14. Пат. 2475932 РФ, МПК Н02Р 5/52, С05Б 13/62 (2006.01). Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя и устройство для его осуществления / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. № 2011137915/07; заявл. 14.09.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5. 2 с.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрическая техника».
Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Физика».
ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры «Электрическая техника». Адрес для переписки: alina.an@mail.ru
Статья поступила в редакцию 15.05.2017 г. © А. В. Бубнов, С. В. Бирюков, А. Н. Четверик
УДК 621.431:621.43.06
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО А. Л. ИВАНОВ В. А. БОРИСОВ П. В. ЛИТВИНОВ
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
г. Омск
Омский государственный технический университет, г. Омск
Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск
АНАЛИЗ ПУТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В статье представлен подробный анализ путей образования оксидов азота, окиси углерода, углеводородов, альдегидов, сажи и твердых частиц в отработавших газах поршневых двигателей. Приведен обзор влияния данных веществ на экологию и представлены результаты для нахождения путей снижения концентрации вредных веществ в отработавших газах поршневых двигателей для улучшения энергоэффективности.
Ключевые слова: поршневые двигатели, отработавшие газы, процесс сгорания, оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, твердые частицы.
Введение. В настоящее время одной из основных задач является недопущение ухудшения экологической обстановки на Земле. В атмосферу выбрасывается огромное количество оксидов углерода (СО и СО2), азота (N0 и N0^, несгоревших углеводородов (СН) и прочих вредных веществ, поскольку около 90 % энергии человечество получает от сжигания углеродсодержащих топлив. В первую очередь это касается различных транспортных средств, выполняющих свои функции непосредственно в местах обитания людей — в городах. С целью ограничения вредных выбросов на транспорте мировым сообществом вводятся предписания, устанавливающие меры ограничения выбросов вредных газообразных веществ и взвешенных частиц из двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для ис-
пользования как на транспорте, так и в стационарных режимах, и из двигателей с принудительным зажиганием, работающих на бензине, природном газе, сжиженном нефтяном газе и предназначенных для использования в тех же целях.
Требования к выбросам вредных веществ транспортными средствами в России устанавливает Технический Регламент Таможенного Союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», базирующийся на правилах ЕЭК-ООН, стандартах Евро-4, Евро-5 и Евро-6. Введение новых стандартов ожидается в 2020 и 2025 годах, в которых будут регулироваться нормы выбросов различных вредных веществ [1—4].
Очистка отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) от окиси углерода,
